納米隔熱材料在板坯加熱爐水梁中的應用研究

江 華

(北京京誠鳳凰工業爐工程技術有限公司,北京 100176)

1 前 言

步進梁式板坯加熱爐的水梁是鋼坯在爐內運行的核心支撐設備,水梁的壽命直接決定了加熱爐的設備壽命。當前,國內的新建加熱爐基本已經開始采用汽化冷卻方式實現水梁的冷卻[1]。水梁的材質一般為20G或16Mn,汽化冷卻水汽混合物的溫度一般為～200 ℃,水梁管材的內壁溫度一般按230 ℃設計[2]。為了保證在爐溫高達1 280～1 300 ℃時,水梁仍有足夠的支撐強度,除了汽化冷卻系統可靠運行外,水梁的絕熱包扎至關重要。當前,國內步進梁式加熱爐水梁的包扎常用結構是20 mm耐火纖維毯+60 mm水梁專用澆注料,澆注料采用不銹鋼錨固鉤進行固定,如果爐內坯料運行穩定,一般都在2～3年開始局部脫落和開裂[3]。爐內坯料運行不穩定或施工不好的,壽命可能更短,有的投產不久就會出現水梁耐材的大面積脫落,水梁壽命大幅縮短且水梁熱損失及耗水量加大[4-5]。

另外,這種水梁澆注料結構的絕熱技術,由于受結構的限制,無法采用更厚的絕熱方式,在爐溫較高時,只能通過汽化冷卻增加產汽量來保證水梁的溫度,這就直接導致爐膛熱損失的增加,能耗加大。一般水梁的熱損失能耗在5%～9%,但目前一些舊爐存在水梁熱損失超過供熱量的10%,有的甚至達到14%,這對于加熱爐正常生產造成很大影響[6-7]。如果能采取措施降低此處熱損失,對加熱爐節能降耗以及保證爐溫正常生產的貢獻將是非常可觀的。

近年來,隨著納米隔熱材料技術的迅速發展,傳統宏觀傳熱學理論受到沖擊,微觀納米尺度傳熱機理的研究,為新型絕熱材料和節能降耗技術開辟了新的途徑。由于物質達到了納米尺度,納米材料從根本上改變了材料的結構,在性能上出現了宏觀物質所不具備的新性能。眾多的實驗和理論一致表明,當氣孔的直徑小于 50 nm 時,氣孔內將不再有可以自由運動的空氣分子,而是被吸附在氣孔壁上,這樣的氣孔實際上相當于真空狀態。由于所有的微孔都小于 50 nm,這樣就可以使耐火材料內部有非常多的反射界面,當氣孔尺寸變得更小時,這種界面的數量趨于無窮多,從而使輻射熱傳導的效率也趨于 0,因此,以理論上說存在著導熱系數趨近于 0 的超級絕熱材料,并且這種絕熱材料隨著溫度的上升其導熱系數并不增大。超級隔熱材料[8]的概念是1992年由美國學者A.J.Hunt在國際材料工程大會上提出的,其典型特征為熱導率低于同溫度下靜止空氣的熱導率。由于隔熱材料內部固體骨架的體積分數較低,球狀顆粒堆積具有弱接觸的特點,因此固體導熱對材料表觀熱導率的貢獻極低。典型孔隙尺寸僅為2～50 nm,顯著小于室溫下空氣分子的平均自由程70 nm,因此納米孔隙中的氣體分子發生碰撞傳遞能量受到極大限制,氣體導熱的貢獻也被限定在一個相對較低的水平,同時通過添加輻射抑制劑等手段,可實現對輻射傳熱的抑制。由于納米隔熱材料對熱量傳遞的3種途徑均具有良好的抑制效果,因此,在常壓和低真空度條件下 表現出優異的隔熱性能,如圖1所示。文獻報道,常溫常壓下納米隔熱材料熱導率最低值僅為0.013 W/(m·K),遠低于靜止空氣。

目前歐美、日本等發達國家已經將此種材料應用于鋼鐵行業如鋼包、魚雷罐、熱風管道等,主要目的在于減少各種高溫裝備熱損失、減薄隔熱層厚度、降低隔熱層蓄熱量以及改善操作環境[9]。本文在研究傳統步進梁水梁隔熱包扎基礎上提出納米隔熱新型結構,開展相應數值模擬分析及實驗測試,并成功推廣到板坯加熱爐工程應用,實現較好的節能節水效果及經濟效益。

2 仿真分析

為驗證水梁納米隔熱材料包扎技術方案的可行性,我們首先采用CFD仿真方法針對板坯爐步進梁進行內部流動及傳熱模擬,只考慮水梁內流動及包扎材料傳熱,忽略爐內燃燒過程,給定水梁外部邊界溫度,水梁內部給定汽水混合物流速及溫度,出口給定壓力出口。

對于爐內水梁內部三維湍流流動,可以把連續性方程、動量方程、能量方程等基本方程用一個通用控制方程來表示[10-11]:

(1)

式中:φ為通用變量,在質量方程中φ=1,在動量方程中分別代表u、v、w,在k-ε湍流方程中代表k和ε,在能量方程中代表T;Γφ為廣義擴散系數,Sφ為廣義源項,對于質量方程,Γφ=0,Sφ=0。

水梁包扎材料導熱方程,可以用下式表示:

(2)

式中:T為熱力學溫度,K;t為時間,s;k為材料的導熱系數,W / (m·K);ρ為材料密度,kg/m3;cP為材料比定壓熱容,J/(kg·K);q為內熱源的熱流密度,W/m2。

仿真分析得到水梁熱流損失分布,圖2為水梁局部熱流分布圖,從圖2中可見錨固鉤與水梁焊接處熱流密度絕對值最大,雖然此處面積較小,但由于熱流密度大絕對值高,因此占水梁整體熱損失不可忽視。主要熱損失則是水梁包扎處,管壁20 mm+纖維20 mm+澆注料60 mm時計算得到管壁熱流-7 182 W/m2,管壁20 mm+納米板5 mm+纖維20 mm+澆注料60 mm計算得到管壁熱流-5 459 W/m2,由于其面積較大,因此占據水梁整體熱損失比例最高。通過仿真得到的單位面積熱流對比,采用納米包扎后,能夠節約汽化冷卻部分帶走的熱量約24%,具有較好的節能節水效果。

圖2 水梁熱流損失分布圖

圖3為仿真得到的金屬錨固鉤溫度分布,由圖3可見,在高溫加熱爐內,錨固鉤對耐火澆注料進行固定,由于耐火澆注料作為工作層,雖然具有較高的耐火度,但其導熱系數較高,難以起到隔熱作用,故錨固鉤頂部溫度較高,接近1 000 ℃左右,而焊接到水梁管道上的錨固鉤根部溫度則較低,因此錨固鉤材料需要考慮長期耐高溫和抗氧化特性。為降低錨固鉤工作溫度,延長錨固鉤壽命并減少錨固鉤散熱損失,特考慮在傳統纖維+澆注料包扎基礎上,對錨固鉤另外包扎耐火纖維隔熱套,按照1 200 ℃爐溫,采用汽化冷卻,影響對比如表1所示。仿真計算結果如表2所示,表明錨固鉤在局部增加隔熱套后,能夠較大幅度降低錨固鉤最高溫度,減少錨固鉤熱短路散熱,同時延長錨固鉤及水梁包扎長期使用壽命。

表1 纖維隔熱套對錨固鉤溫度影響對比

表2 不同爐溫下仿真計算水梁各部位溫度分布 ℃

圖3 錨固鉤溫度分布圖

由于納米隔熱材料耐火度不如耐火澆注料或者高標號耐火纖維,當超過其長期使用溫度時收縮率會增加,帶來安全隱患,因此實際應用需要計算納米隔熱層設計溫度,確保其不超過最高使用溫度。表2仿真計算結果表明:當爐溫1 150～1 300 ℃時,納米材料熱面溫度不超過935 ℃,而納米材料的長期使用溫度1 000 ℃,這表明采用該方案納米材料能長期安全使用。

3 試驗研究

通過數值分析表明納米隔熱水梁具有較好的節能節水特性,但在工程實際應用中推廣仍然需要實驗數據以為設計提供參考,為對比常規水梁與新型納米隔熱水梁水冷散熱實際差異,在燃氣實驗爐內進行散熱實驗研究。水梁水冷試驗系統包括水箱、水泵、調節蝶閥、渦輪流量計、實驗水梁、溫度計等設備。實驗用水來自車間市政自來水管道用水,最后排放到車間排水井,水冷管道系統見圖4。圖5為澆筑完畢的實驗水梁,為防止水梁澆注料中水分因升溫過快而爆裂,特設定了烘烤曲線,待烘烤完畢后再進入試驗流程。根據烘烤和實驗溫度曲線,爐膛溫度逐漸升到1 200 ℃,在特定的溫度設定點保持爐溫約1 h,以保證熱流穩定,然后對爐溫、空煤氣流量、冷卻水流量、進出水溫度進行記錄。

圖4 水梁散熱試驗系統圖

圖5 澆筑完成的實驗水梁

表3為常規包扎水梁試驗測試數據記錄表,為防止長期試驗水垢對試驗結果的影響,通過調節水流量來控制最高出水溫度不超過40 ℃。隨著爐溫的上升,可見常規水梁包扎方案下,水梁散熱量快速增加,高溫約1 200 ℃時的散熱量是低溫約500 ℃時散熱量的3倍左右。

表3 常規包扎水梁試驗測試數據記錄

表4為納米水梁包扎方案試驗數據記錄表,可見新型納米隔熱水梁包扎測試得到的水梁散熱量隨著爐溫升高緩慢上升,高溫約1 200 ℃時的散熱量是低溫約500 ℃時散熱量的2倍左右,這表明在1 200 ℃左右的高溫軋鋼加熱爐內,納米隔熱材料對于水梁散熱有較好的節能節水效果,同時有利于爐溫的穩定。

表4 納米包扎水梁試驗測試數據記錄

圖6為常規水梁包扎與納米水梁包扎水冷散熱熱流隨爐溫的變化趨勢對比,通過實驗數據擬合回歸曲線,式(3)、式(4)分別為普通纖維材料、納米材料熱流值隨爐溫變化的回歸公式。

圖6 納米材料與普通纖維材料熱流值隨爐溫變化趨勢對比圖

(3)

(4)

從兩種方案熱流回歸曲線對比分析,在爐溫較低時,常規纖維隔熱材料和納米隔熱材料由于在低溫下導熱系數差別不大,因而均能起到較好的隔熱效果。而隨著爐溫逐步升高,纖維隔熱材料的導熱系數快速增加,由此常規纖維隔熱水梁散熱快速增加,而納米隔熱材料的導熱系數增加較小,故此納米隔熱水梁的散熱增加較為緩慢。故此兩種方案散熱量的差距隨著爐溫升高越來越大,特別是在爐溫超過1 000 ℃后。

如圖7所示納米隔熱水梁節能效果良好,且納米材料在高溫段節能效果更為明顯,爐溫達到1 050 ℃以后,水梁單管節能比例達到了30%,隨著爐溫的繼續升高,納米包扎水梁相對常規包扎水梁的節能比例還在升高。故此,可以認為納米材料導熱系數隨溫度變化的穩定性是其在高溫下節能效果較好的根本因素,而常規纖維材料的導熱系數隨溫度升高而快速上升則是其在高溫下隔熱效果相對納米材料而言較差的原因。

圖7 納米材料節能比例隨爐溫變化趨勢圖

4 工程應用及經濟性

4.1 工程應用節能效果

本文所述新型納米水梁包扎結構目前已成功應用于某工程,以下分析中涉及的計算初始值均來自該工程相關數據(見表5)。該工程實際投產后,單位面積汽化冷卻產汽量明顯降低,與設計值基本一致,約為常規設計值的3/4,即節約了25%的產汽量。按照汽化冷卻占總能耗7%～9%統計,則僅僅采用此納米絕熱結構就節省了能耗約7 kcal/kg單耗,效果還是非常可觀的。同時,水梁熱損失的降低,也可大大降低汽化冷卻設備的配置,循環泵的功率、汽包的容量、旋轉接頭的數量均有減少。

表5 工程應用對比

4.2 經濟性分析

納米隔熱材料由于價格相對傳統耐火纖維材料更加昂貴,因此雖然其節能效果較好,但規模化推廣應用還需考慮投資成本,下面以柳鋼五棒加熱爐工程為例,簡要分析納米隔熱材料應用的經濟效益及回收周期,以為相關工程應用提供計算依據(見表6)。

表6 經濟效益分析

若僅考慮節能效益,則項目投資回收期4.6個月,若考慮蒸汽量減少后,汽化冷卻設備減型的節約成本,則僅需1.5個月的時間就可以收回全部投資,因此納米隔熱材料在水梁包扎上的應用投資見效快,回收期短,長期累計效益可觀。可以預見,隨著我國雙碳戰略目標的確定,納米隔熱材料在鋼鐵行業高溫場合的應用會越來越普及。

5 結 論

本文針對新型納米絕熱保溫材料在高溫板坯加熱爐的應用,開展了傳統水梁包扎方式與新型納米隔熱包扎方式的對比研究,通過數值仿真分析對不同方案隔熱效果及溫度分布進行了預測,并搭建水冷實驗系統對采用不同包扎方式的水梁的冷卻水量和進出水溫度進行測試分析,在此基礎上開展了工程應用,應用效果與數值仿真及實驗研究數據吻合良好。綜合比較常規絕熱方式和納米材料絕熱方式的絕熱效果,得出如下研究結論:

(1)步進梁式板坯加熱爐水梁散熱損失受水梁包扎結構、耐火材料導熱系數、金屬錨固鉤等影響較大,從減少水梁散熱損失及節約水資源角度考慮,需要綜合采用合理包扎結構、低導熱率耐火材料以及減少金屬錨固鉤的熱短路效應以獲得較好隔熱效果;

(2)數值仿真及試驗研究結果表明,采用納米隔熱材料的新型水梁包扎結構相對傳統水梁包扎結構具有較好的節能節水效果,特別是在較高爐溫下,傳統包扎結構隨爐溫升高散熱快速上升,而新型納米隔熱水梁隨爐溫升高散熱增加較少。因此在板坯加熱爐加熱段、均熱段等高溫區域可采用新型納米隔熱水梁,而在煙氣預熱段等低溫區域仍可沿用傳統水梁包扎方式;

(3)工程應用對比結果表明,納米隔熱水梁相對傳統水梁包扎方案可實現水梁區域能耗降低約25%,只考慮能耗降低投資回收期約4.6個月,若考慮汽化冷卻設備選型的小型化則回收期約1.5個月,具有較好的經濟和生態效益。